Коронограф

Коронограф насадка , — это телескопическая предназначенная для блокировки прямого света звезды или объекта близлежащие объекты, которые в противном случае были бы скрыты в ярком свете другого яркого объекта, чтобы можно было различить . Большинство коронографов предназначены для наблюдения за , короной солнечной но новый класс концептуально подобных инструментов (называемых звездными коронографами, чтобы отличить их от солнечных коронографов ) используется для поиска внесолнечных планет и околозвездных дисков вокруг близлежащих звезд, а также родительских галактик в космосе. квазары и другие подобные объекты с активными галактическими ядрами (АЯГ).

Изобретение

Коронограф был представлен в 1931 году французским астрономом Бернаром Лио ; с тех пор коронографы стали использовать во многих солнечных обсерваториях . Коронографы, работающие в атмосфере Земли, страдают от рассеянного света в самом небе , главным образом из-за рэлеевского рассеяния солнечного света в верхних слоях атмосферы. Под углами обзора, близкими к Солнцу, небо намного ярче фоновой короны даже на больших высотах в ясные и сухие дни. Наземные коронографы, такие как Высотной обсерватории на коронограф Mark IV вершине Мауна-Лоа , используют поляризацию, чтобы отличить яркость неба от изображения короны: и корональный свет, и яркость неба представляют собой рассеянный солнечный свет и имеют схожие спектральные свойства. но корональный свет рассеивается по Томсону почти под прямым углом и, следовательно, подвергается поляризации рассеяния , в то время как наложенный свет с неба вблизи Солнца рассеивается только под углом скольжения и, следовательно, остается почти неполяризованный.

Дизайн

Приборы-коронографы являются крайними примерами подавления рассеянного света и точной фотометрии, поскольку общая яркость солнечной короны составляет менее одной миллионной яркости Солнца. Видимая поверхностная яркость еще слабее, потому что корона не только излучает меньше общего света, но и имеет гораздо больший видимый размер, чем само Солнце.

Во время полного солнечного затмения Луна . действует как заслоняющий диск, и любая камера на пути затмения может работать как коронограф, пока затмение не закончится Более распространенным является вариант, при котором небо отображается в промежуточной фокальной плоскости, содержащей непрозрачное пятно; эта фокальная плоскость повторно отображается на детекторе. Другой вариант заключается в отображении неба на зеркале с небольшим отверстием: желаемый свет отражается и в конечном итоге перерисовывается, но нежелательный свет звезды проходит через отверстие и не достигает детектора. В любом случае конструкция прибора должна учитывать рассеяние и дифракцию , чтобы гарантировать, что как можно меньше нежелательного света достигнет конечного детектора. Ключевым изобретением Лио было расположение линз с упорами, известными как стопы Лио , и перегородками, в которых свет, рассеянный дифракцией, фокусировался на упорах и перегородках, где он мог быть поглощен, в то время как свет, необходимый для полезного изображения, пропускал их. ^{[ 1 ]}

Например, инструменты визуализации на космическом телескопе Хаббл и космическом телескопе Джеймса Уэбба предлагают коронографические возможности.

Коронограф с ограниченным диапазоном частот

Коронограф с ограниченной полосой пропускания использует специальный вид маски, называемый маской с ограниченной полосой пропускания . ^{[ 2 ]} Эта маска предназначена для блокировки света, а также для устранения эффектов дифракции, вызванных удалением света. Коронограф с ограниченным диапазоном частот послужил базовой конструкцией для отмененного коронографа Terrestrial Planet Finder . Маски с ограниченным диапазоном частот также будут доступны на космическом телескопе Джеймса Уэбба .

Коронограф с фазовой маской

Коронограф с фазовой маской (например, так называемый четырехквадрантный коронограф с фазовой маской) использует прозрачную маску для сдвига фазы звездного света с целью создания саморазрушающей интерференции, а не простой непрозрачный диск для блокировки это.

Оптический вихревой коронограф

Оптический вихревой коронограф использует фазовую маску, в которой фазовый сдвиг меняется по азимуту вокруг центра. Существует несколько разновидностей оптических вихревых коронографов:

скалярный оптический вихревой коронограф , основанный на фазовой рампе, непосредственно вытравленной в диэлектрическом материале, таком как плавленый кварц. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}
векторный (иальный) вихревой коронограф использует маску, которая вращает угол поляризации фотонов, и увеличение этого угла вращения имеет тот же эффект, что и увеличение фазового сдвига. Маска такого типа может быть синтезирована с помощью различных технологий, начиная от жидкокристаллического полимера (та же технология, что и в 3D-телевидении ) и микроструктурированных поверхностей (с использованием технологий микрообработки из индустрии микроэлектроники ). Такой векторный вихревой коронограф, изготовленный из жидкокристаллических полимеров, в настоящее время используется на 200-дюймовом телескопе Хейла в Паломарской обсерватории . Недавно он был оснащен адаптивной оптикой для получения изображений внесолнечных планет .

Это работает со звездами, отличными от Солнца, потому что они находятся так далеко, что их свет для этой цели представляет собой пространственно когерентную плоскую волну. Коронограф с помощью интерференции маскирует свет вдоль центральной оси телескопа, но пропускает свет от объектов, находящихся вне оси.

Спутниковые коронографы

Коронографы в космическом пространстве гораздо более эффективны, чем те же инструменты, если бы они были расположены на земле. Это связано с тем, что полное отсутствие атмосферного рассеяния устраняет самый крупный источник бликов, присутствующий в земном коронографе. Несколько космических миссий, таких как НАСА - ЕКА использовали SOHO , SPARTAN НАСА, Solar Maximum Mission и Skylab, коронографы для изучения внешних пределов солнечной короны. ( Космический телескоп Хаббл HST) способен выполнять коронографию с использованием камеры ближнего инфракрасного диапазона и многообъектного спектрометра (NICMOS). ^{[ 5 ]} а космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) может выполнять коронографию с использованием камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI).

Хотя космические коронографы, такие как LASCO , избегают проблемы яркости неба, они сталкиваются с проблемами проектирования, связанными с управлением рассеянным светом в условиях жестких требований к размеру и весу космических полетов. Любой острый край (например, край затмевающего диска или оптической апертуры) вызывает дифракцию Френеля падающего света вокруг края, а это означает, что меньшие инструменты, которые можно было бы использовать на спутнике, неизбежно пропускают больше света, чем более крупные. Коронограф LASCO C-3 использует как внешний затемнитель (который отбрасывает тень на инструмент), так и внутренний затемнитель (который блокирует рассеянный свет, дифрагированный Френелем вокруг внешнего затемнителя), чтобы уменьшить эту утечку, а также сложную систему перегородок для предотвращения утечки. исключить постороннее рассеяние света на внутренних поверхностях самого прибора.

Адитья-L1

Aditya-L1 — космический аппарат для коронографии, разработанный Индийской организацией космических исследований (ISRO) и различными индийскими исследовательскими институтами. Целью космического корабля является изучение солнечной атмосферы и ее влияния на окружающую среду Земли. Он будет расположен примерно в 1,5 миллионах километров от Земли на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L1 между Землей и Солнцем. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Основная полезная нагрузка — коронограф видимых линий излучения (VELC) — будет ежедневно отправлять на наземные станции 1440 изображений Солнца. Полезная нагрузка VELC была разработана Индийским институтом астрофизики (IIA) и будет непрерывно наблюдать за солнечной короной из точки L1. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

Миссия имеет строгие протоколы чистоты для ученых и инженеров, работающих с полезной нагрузкой, чтобы предотвратить загрязнение, которое может повлиять на чувствительные инструменты. ^{[ 8 ]}

Внесолнечные планеты

Коронограф недавно был адаптирован для решения сложной задачи поиска планет вокруг близлежащих звезд. Хотя звездные и солнечные коронографы схожи по своей концепции, на практике они сильно различаются, поскольку затмеваемый объект различается в миллион раз по линейному видимому размеру. (Видимый размер Солнца составляет около 1900 угловых секунд , в то время как типичная близлежащая звезда может иметь видимый размер 0,0005 и 0,002 угловых секунд.) Для обнаружения экзопланеты, похожей на Землю, требуется 10 угловых секунд. ⁻¹⁰ контраст. ^{[ 9 ]} Для достижения такого контраста необходима исключительная оптотермическая стабильность .

Концепция звездного коронографа изучалась для полета в рамках отмененной миссии Terrestrial Planet Finder . На наземных телескопах звездный коронограф можно комбинировать с адаптивной оптикой для поиска планет вокруг близлежащих звезд. ^{[ 10 ]}

В ноябре 2008 года НАСА объявило, что непосредственно наблюдалась планета, вращающаяся вокруг соседней звезды Фомальгаут . Планету можно было ясно увидеть на изображениях, сделанных коронографом усовершенствованной камеры Хаббла в 2004 и 2006 годах. ^{[ 11 ]} На изображениях можно увидеть темную область, скрытую маской коронографа, хотя была добавлена яркая точка, чтобы показать, где могла бы находиться звезда.

До 2010 года телескопы могли напрямую отображать экзопланеты только в исключительных обстоятельствах. В частности, изображения легче получать, когда планета особенно велика (значительно больше Юпитера ), далеко удалена от родительской звезды и горячая настолько, что излучает интенсивное инфракрасное излучение. Однако в 2010 году группа из НАСА Лаборатории реактивного движения продемонстрировала, что векторный вихревой коронограф может позволить небольшим телескопам напрямую получать изображения планет. ^{[ 12 ]} Они сделали это, сфотографировав ранее полученные изображения планет HR 8799, используя всего лишь 1,5-метровую часть телескопа Хейла .

См. также

Список солнечных телескопов
Миссия Нового Мира - Предлагаемый внешний коронограф

Ссылки

^ «Спартанец 201-3: Коронографы» . umbra.nascom.nasa.gov . Проверено 30 марта 2020 г.
^ Кушнер и Трауб (2002). «Коронограф с узкополосной маской для поиска планет земной группы» . Астрофизический журнал . 570 (2): 900–908. arXiv : astro-ph/0203455 . Бибкод : 2002ApJ...570..900K . дои : 10.1086/339625 . S2CID 18095697 .
^ Фу, Грегори; Паласиос, Дэвид М.; Шварцландер, Гровер А. младший (15 декабря 2005 г.). «Оптический вихревой коронограф» (PDF) . Оптические письма . 30 (24): 3308–3310. Бибкод : 2005OptL...30.3308F . дои : 10.1364/OL.30.003308 . ПМИД 16389814 .
^ Оптический вихревой коронограф. Архивировано 3 сентября 2006 г. в Wayback Machine.
^ «НИКМОС» . STScI.edu . Проверено 30 марта 2020 г.
^ Объяснение: Адитья-L1, первая солнечная миссия Индии.
^ Jump up to: ^а ^б Полезная нагрузка VELC на борту Aditya-L1 будет отправлять 1440 изображений Солнца в день
^ Jump up to: ^а ^б Строгие меры: ученым и инженерам, работавшим над Адитьей-L1, не разрешили пользоваться духами по ЭТОЙ причине.
^ Брукс, Томас; Шталь, HP; Арнольд, Уильям Р. (23 сентября 2015 г.). Кахан, Марк А; Левин-Уэст, Мари Б. (ред.). «Исследования в области термической торговли в области передовых зеркальных технологий (AMTD)» . Оптическое моделирование и прогнозирование производительности VII . 9577 . SPIE: 957703. Бибкод : 2015SPIE.9577E..03B . дои : 10.1117/12.2188371 . hdl : 2060/20150019495 . S2CID 119544105 .
^ «Правление обсерватории Джемини продвигает разработку коронографа с экстремальной адаптивной оптикой» . www.adaptiveoptics.org . Проверено 30 марта 2020 г.
^ «НАСА – Хаббл непосредственно наблюдает за планетой, вращающейся вокруг другой звезды» . www.nasa.gov . Проверено 30 марта 2020 г.
^ Андреа Томпсон (14 апреля 2010 г.). «Новый метод позволит получить изображения планет земного типа» . msnbc.com . Архивировано из оригинала 9 мая 2013 года . Проверено 30 марта 2020 г.

Внешние ссылки

Обзор технологий прямого оптического изображения экзопланет , Мари Левин, Реми Зуммер, 2009 г.
«Телескоп Солнечного наблюдателя». Популярная механика , февраль 1952 г., стр. 140–141. Рисунок в разрезе первого типа коронографа, использованного в 1952 году.
Оптические векторные вихревые коронографы с использованием жидкокристаллических полимеров: теория, изготовление и лабораторная демонстрация Информационная база оптики
Векторный вихревой коронограф: результаты лабораторных исследований и первый свет в Паломарской обсерватории IopScience
Фазовая маска кольцевой канавки Коронограф IopScience
По этой ссылке показано HST-изображение пылевого диска, окружающего яркую звезду, причем звезда скрыта коронографом. [1]

[1] «Спартанец 201-3: Коронографы» . umbra.nascom.nasa.gov . Проверено 30 марта 2020 г.

[band-limited-2] Кушнер и Трауб (2002). «Коронограф с узкополосной маской для поиска планет земной группы» . Астрофизический журнал . 570 (2): 900–908. arXiv : astro-ph/0203455 . Бибкод : 2002ApJ...570..900K . дои : 10.1086/339625 . S2CID 18095697 .

[3] Фу, Грегори; Паласиос, Дэвид М.; Шварцландер, Гровер А. младший (15 декабря 2005 г.). «Оптический вихревой коронограф» (PDF) . Оптические письма . 30 (24): 3308–3310. Бибкод : 2005OptL...30.3308F . дои : 10.1364/OL.30.003308 . ПМИД 16389814 .

[4] Оптический вихревой коронограф. Архивировано 3 сентября 2006 г. в Wayback Machine.

[5] «НИКМОС» . STScI.edu . Проверено 30 марта 2020 г.

[source1-6] Объяснение: Адитья-L1, первая солнечная миссия Индии.

[source2-7] Jump up to: ^а ^б Полезная нагрузка VELC на борту Aditya-L1 будет отправлять 1440 изображений Солнца в день

[source3-8] Jump up to: ^а ^б Строгие меры: ученым и инженерам, работавшим над Адитьей-L1, не разрешили пользоваться духами по ЭТОЙ причине.

[9] Брукс, Томас; Шталь, HP; Арнольд, Уильям Р. (23 сентября 2015 г.). Кахан, Марк А; Левин-Уэст, Мари Б. (ред.). «Исследования в области термической торговли в области передовых зеркальных технологий (AMTD)» . Оптическое моделирование и прогнозирование производительности VII . 9577 . SPIE: 957703. Бибкод : 2015SPIE.9577E..03B . дои : 10.1117/12.2188371 . hdl : 2060/20150019495 . S2CID 119544105 .

[10] «Правление обсерватории Джемини продвигает разработку коронографа с экстремальной адаптивной оптикой» . www.adaptiveoptics.org . Проверено 30 марта 2020 г.

[11] «НАСА – Хаббл непосредственно наблюдает за планетой, вращающейся вокруг другой звезды» . www.nasa.gov . Проверено 30 марта 2020 г.

[12] Андреа Томпсон (14 апреля 2010 г.). «Новый метод позволит получить изображения планет земного типа» . msnbc.com . Архивировано из оригинала 9 мая 2013 года . Проверено 30 марта 2020 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]